纤维混凝土在高速铁路隧道中的应用.ppt

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纤维混凝土在高速铁路隧道二次衬砌中的应用研究,2011.9,混凝土配合比及试验方法,工作性能研究,研究背景,主要汇报内容,CT及ESEM扫描图像分析,耐久性的影响分析,力学性能研究,研究结论,一、研究背景,世界上早期修建的高速铁路隧道，其二次衬砌一般采用素混凝土结构，但随着时间的推移，隧道衬砌非结构性裂缝不断出现并发展，维修养护工作量不断加大，甚至影响高速铁路运营安全。

为解决高速铁路隧道混凝土开裂掉块问题，德国采用衬砌混凝土加钢筋的方式，日本仍采用素混凝土结构，韩国则在洞口附近采用钢筋混凝土结构，在其余地段采用素混凝土结构，但在交付运营前对高铁隧道逐座进行检查，对发现的裂缝逐条进行处理。

一、研究背景,隧道衬砌的裂缝包括结构性裂缝和非结构性裂缝。

结构性裂缝是由外荷载作用下的直接应力引起的，据调查，隧道衬砌裂缝属于荷载引起的结构性裂缝仅占20%。

非结构裂缝主要来自于结构形成和因环境因素作用的损伤劣化两个过程中，约占隧道衬砌裂缝的80%。

为抑制混凝土非结构裂缝的出现和发展，目前采用的主要方法是混凝土加筋，包括钢筋混凝土结构、单层钢筋网护面结构、钢纤维混凝土结构和素纤维混凝土结构。

一、研究背景,我国高速铁路隧道一般采用复合式衬砌，从技术经济综合考虑，II、III、IV级围岩隧道二次衬砌一般可采用素混凝土结构，但二次衬砌开裂问题值得深入研究。

2006年，铁道部有关部门根据武广、郑西客专咨询单位德国欧博迈亚公司的意见，召开了高速铁路隧道二衬配筋问题研讨会。

2009年4月，铁四院完成了纤维混凝土在高速铁路隧道中的应用研究。

2010年，铁道部科技司立项高速铁路隧道技术深化研究隧道高性能喷射混凝土与纤维混凝土应用技术研究，并提出了阶段性研究成果。

2011年，铁道部科技司立项高速铁路隧道纤维素技术条件编制。

一、研究背景,隧道拱顶开裂修补

（1）,隧道拱顶开裂修补

（2）,一、研究背景,对比研究的纤维材料种类,一、研究背景,武广、郑西、贵广铁路隧道的应用,混凝土工作性能,混凝土力学性能,混凝土耐久性,主要结论：

经过对不同加强方式的研究比较，表明纤维素纤维混凝土在早期收缩性能、综合抗裂性能、工作性能、增韧效果、性价比等方面均优于基准混凝土和其他类型加强混凝土，对延长隧道二衬服务寿命有重要意义。

以下仅对纤维素纤维混凝土的研究情况进行介绍。

二、混凝土配合比及试验方法,混凝土原材料及配合比（kg/m3）,注：

表中“基准”代表基准混凝土，“纤维”代表纤维素纤维混凝土，表中所有数据来源于相关工程试验室试验或现场试验，下同。

二、混凝土配合比及试验方法,坍落度、扩展度,普通混凝土拌合物性能试验方法标准,混凝土离析率,欧洲自密实混凝土指南,混凝土抗压强度,普通混凝土力学性能试验方法标准,混凝土抗裂性能,铁路混凝土工程施工质量验收补充标准美国材料实验协会标准ASTM1579，ASTMC1581-04混凝土结构耐久性设计规范,混凝土抗疲劳性能,自行研制试验方法，进行静力学、动力学模拟疲劳试验,混凝土抗渗性能,普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准,检验项目,试验方法,三、工作性能研究,隧道二次衬砌施工普遍采用整体式钢模板台车、泵送混凝土施工工艺，这要求混凝土具有良好的工作性能，因此在混凝土配合比设计时应验证纤维对混凝土工作性能的影响。

总结武广、郑西、贵广三个铁路项目中隧道二次衬砌纤维混凝土的工作性能，表明纤维素纤维对混凝土工作性能无明显不利影响。

与基准混凝土相比，坍落度的变化在15mm范围以内，而扩展度的降低主要归结于纤维的桥接作用提高了混凝土的粘聚性，减少了混凝土的离析泌水现象。

基准混凝土与纤维素纤维混凝土工作性能对比表,三、工作性能研究,上表表明，纤维素纤维混凝土的离析率远低于基准混凝土，这使得混凝土基体更加均匀，减少了收缩引起的裂缝。

三、工作性能研究,上表为贵广铁路基准混凝土与各种纤维混凝土力学性能比较表，表明纤维素纤维混凝土的离析率远低于其他种类混凝土。

三、工作性能研究,0,150,100,200,400,450,50,300,250,350,初始,500,210,510,60min,30min,200,190,505,480,贵广线纤维素纤维混凝土坍落度、扩展度经时损失,单位：

mm,纤维素纤维对混凝土各龄期抗压强度总体影响不大，部分混凝土强度略有提高,基准混凝土与纤维混凝土各龄期抗压强度对比表,四、力学性能研究,四、力学性能研究,

（1）纤维内部有独特的空腔，可以吸收一部分自由水，在混凝土硬化阶段又可以释放水分，促进未水化水泥颗粒的水化,

（2）纤维素纤维的亲水性使水泥水化物沿着纤维表面生长，从而使纤维表面粘着大量的水泥浆体颗粒，增强混凝土与纤维间的握裹力,五、耐久性的影响分析,要延长隧道主体结构的使用寿命，在提高结构承载能力的同时，也应提高衬砌结构的耐久性，体现在减少二次衬砌的裂缝，降低结构的孔隙率，提高结构的抗渗性，提高结构抗侵蚀能力。

纤维素纤维的突出性能优势是能大幅度减少混凝土塑性收缩裂缝，控制裂缝扩展，减少混凝土缺陷，改善混凝土硬化后的连续性，从而提高结构的耐久性。

五、耐久性的影响分析,1）塑性期抗裂性能：

减少新拌混凝土在塑性阶段的各种收缩引起的裂缝,改善率100%,改善率90.4%,改善率100%,0,裂缝面积整体减小，改善率超过90%,168.9,9.0,94.0,0,152.0,贵广线,武广线,郑西线,0,50,100,200,150,250,裂缝面积/（mm2）,五、耐久性的影响分析,早期塑性抗裂性能试验,五、耐久性的影响分析,塑性抗裂性能试件,五、耐久性的影响分析,平均内应力速率V/（MPa/day）,0.21,0.024,0.033,0.010,纤维素纤维对混凝土主要强度增长过程中的裂缝扩展有显著的抑制作用,1）综合抗裂性能：

减少在强度增长过程中因自收缩和干燥收缩的自应力产生的裂缝,五、耐久性的影响分析,综合抗裂性能试验,五、耐久性的影响分析,干燥收缩性能试验,五、耐久性的影响分析,2）抗疲劳性能,由极限抗压强度换算出试件的极限抗拉强度,加循环荷载，其频率为5Hz,试件经50万次疲劳循环后卸荷,对试件取样进行气渗试验，评价其损伤程度,纤维素纤维混凝土在不同荷载等级及压力等级条件下，气渗系数都有降低，尤其在30%荷载等级下，降低的幅度更显著，达到40%左右。

可见在疲劳荷载等级较高时，纤维素纤维对混凝土抗疲劳性能的改善作用更显著,五、耐久性的影响分析,2）抗疲劳性能,贵广线混凝土疲劳抗渗试验,POROSCOPE手持式气渗仪,五、耐久性的影响分析,3）抗渗性能,贵广线混凝土抗渗试验,五、耐久性的影响分析,3）抗渗性能,23.2,49.8,基准,纤维,纤维素纤维改善了混凝土的抗渗性能，改善率达53.4%,0,10,20,40,30,50,渗水高度/（mm）,贵广线抗渗等级为P12混凝土抗渗试验结果,五、耐久性的影响分析,3）抗渗性能,0.0,水泥浆体孔隙率和平均孔径,平均孔径,孔隙率,单位：

mm,单位：

%,0.6,实线代表掺聚丙烯纤维，虚线代表掺纤维素纤维,0.3,0.9,1.2,纤维素纤维能够有效降低水泥基体的孔隙率和孔隙平均孔径，降幅分别达45%和23%以上，其中以掺量0.9kg/m3（纤维当量掺量）为最佳,五、耐久性的影响分析,3）抗渗性能,试验段现场钻芯试样,纤维素纤维由于具有优良的亲水性、保水性和可分散性，使得混凝土离析泌水现象大大减少，改善了混凝土的匀质性，同时由于纤维能吸收部分自由水，减少了因水分散失留下的孔隙；而基准混凝土出现了可见孔隙,六、CT及ESEM扫描图像分析,1）CT三维图像分析,贵广线现场素混凝土芯样（直径100mm，高度180mm）,六、CT及ESEM扫描图像分析,1）CT三维图像分析,贵广线现场纤维混凝土芯样（直径100mm，高度185mm）,六、CT及ESEM扫描图像分析,1）CT三维图像分析,素混凝土芯样,纤维混凝土芯样,六、现场CT及ESEM扫描图像分析,1）CT三维图像分析,ASTMC457标准中的413mm横贯线法,六、CT及ESEM试验扫描图像分析,基准混凝土：

气泡含量8.7%、气泡间距系数111m、气泡平均弦长108m；纤维素纤维混凝土：

气泡含量5.2%、气泡间距系数58m、气泡平均弦长57m。

二者在0.01mm-0.2mm尺度范围内均未存在裂纹；纤维素纤维混凝土的气泡含量仅为基准混凝土的60%；纤维素纤维混凝土内部多为直径0.1mm-0.01mm的小气泡，而基准混凝土内部存在较多直径大于0.1mm的气泡，这表明纤维混凝土微细观结构均匀性优于基准混凝土。

1）CT三维图像分析,六、CT及ESEM试验扫描图像分析,现场试验段纤维混凝土中纤维素纤维分布均匀，无结团现象；纤维表面与水泥石界面区粘结良好，纤维耐碱性好。

2）ESEM扫描图像分析,六、CT及ESEM试验扫描图像分析,2）ESEM扫描图像分析,由ESEM图像得到每平方毫米混凝土中分布的纤维根数统计值为1.0-1.7根（纤维掺量0.9kg/m3），计算得到每立方米混凝土中分布的纤维根数约为14亿根，呈三维乱向分布的纤维平均中心间距为0.78mm（7.6mm时，水泥石的抗拉和抗弯初裂强度均明显提高）。

七、研究结论,纤维素纤维对混凝土工作性能没有负面影响，纤维混凝土和易性良好，坍落度损失速率正常，且离析泌水现象大大减少纤维素纤维总体上略提高了混凝土的抗压强度，增强了二次衬砌混凝土的承载功能纤维素纤维对混凝土的耐久性有显著的改善作用：

对混凝土早期塑性收缩裂缝以及自收缩、干缩引起的裂缝具有明显的抑制作用；改善了隧道二次衬砌在频繁气动荷载和振动荷载作用下的抗疲劳性能；降低了混凝土孔隙率，提高了混凝土密实性，改善了混凝土的抗渗性能。

七、研究结论,在满足纤维砼设计强度要求的前提下，约14亿根的纤维素纤维在混凝土内部细观和微观结构中分布均匀，无结团现象，并显著减少了混凝土含气量和纤维平均中心间距，增加了0.1mm以下直径的气泡含量，有利于提高混凝土的耐久性能。

总之，纤维素纤维对于改善高速铁路隧道二次衬砌的性能具有重要意义，应进一步加大科研力度，加快有关标准的编制，为纤维混凝土的应用奠定基础。

谢谢！